Audi A8主動巡航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能及發(fā)展

宋學(xué)忠

（煙臺南山學(xué)院機械工程學(xué)院，山東 煙臺 265713）

1 主動巡航系統(tǒng)

主動巡航 （Adaptive Cruise Control，ACC）系統(tǒng)也叫做自適應(yīng)巡航系統(tǒng)，是在定速巡航系統(tǒng) （Cruise Control System，CCS）的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的全新巡航系統(tǒng)。它是將汽車定速巡航系統(tǒng)和車間安全距離保持系統(tǒng)有機地結(jié)合起來，既能夠自動保持車輛的巡航速度，又能夠保持本車與前方車輛設(shè)定的安全距離，防止與前方車輛發(fā)生碰撞。

2 主動巡航系統(tǒng)功能

主動巡航系統(tǒng)是一種智能化的自動控制系統(tǒng)，在車輛的行駛過程中，安裝在車輛前部的車距傳感器 （雷達(dá)，圖1）持續(xù)掃描車輛前方的道路 （圖2），同時輪速傳感器采集車輪轉(zhuǎn)速信號。當(dāng)與前車之間的距離過小時，ACC控制單元可以通過與制動防抱死系統(tǒng)、發(fā)動機控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)動作，使車輪適當(dāng)制動，并使發(fā)動機的輸出功率下降，以使車輛與前方車輛始終保持設(shè)定的安全距離。主動巡航系統(tǒng)在控制車輛制動時，通常會將制動減速度限制在不影響舒適的程度，當(dāng)需要更大的減速度時，ACC控制單元會發(fā)出聲光信號通知駕駛者主動采取制動操作。當(dāng)與前車之間的距離增加到安全距離時，ACC控制單元控制車輛按照設(shè)定的速度行駛。當(dāng)與前車的車距大于駕駛員設(shè)定的值，那么車就會加速，直至車速達(dá)到駕駛員設(shè)定的車速值。

主動巡航系統(tǒng)的主要功能如圖3所示。

1）當(dāng)前方?jīng)]有車輛時，如圖3a所示，ACC車輛將處于普通的定速巡航狀態(tài)，按照駕駛員設(shè)定的車速行駛，駕駛員只需要進(jìn)行方向的控制即可，減輕了駕駛員駕駛車輛的工作強度。這里還包括一個工況，就是當(dāng)駕駛員要在設(shè)定的速度基礎(chǔ)上加速時，ACC車輛將按駕駛員意圖加速行駛。當(dāng)駕駛員不再加速以后，如果沒有新的速度設(shè)定，ACC車輛將繼續(xù)按照原先設(shè)定的車速行駛 （勻速控制）。

2）當(dāng)ACC車輛前方出現(xiàn)目標(biāo)車輛時，如圖3b所示，如果目標(biāo)車輛的速度低于ACC車輛的速度，ACC車輛將自動開始進(jìn)行平滑的減速控制，進(jìn)行減速行駛 （減速控制）。

3）當(dāng)ACC車輛與目標(biāo)車輛之間的距離等于ACC車輛設(shè)定的安全車距時，如圖3c所示，ACC車輛采取跟隨控制，即與目標(biāo)車輛以相同的車速行駛 （跟隨控制）。

4）當(dāng)目標(biāo)車輛換道或者ACC車輛換道后，前方又沒有其他的目標(biāo)車輛，如圖3d所示，這時ACC車輛恢復(fù)到初期設(shè)定的車速行駛 （加速控制）。

綜上所述，主動巡航系統(tǒng)不僅具有定速巡航系統(tǒng)所具備的定速功能，即將車輛自動控制在駕駛員設(shè)定的速度下，還能根據(jù)與前方車輛的距離，決定本車是保持原車速還是減速還是加速行駛。主動巡航系統(tǒng)由于減少了對加速踏板和制動踏板的操作，可以明顯減輕駕駛員的勞累程度，提高駕駛舒適性，同時使駕駛員嚴(yán)格遵守車速限制以及控制車距，可以保證汽車的行駛安全和交通的暢通。

因此，Audi A8主動巡航系統(tǒng)要實現(xiàn)上述功能必須具備下述能力。

2.1 車距測量

1）車距測量示意如圖4所示。從汽車?yán)走_(dá)發(fā)射電磁波信號到接收反射回來的電磁波信號所需要的時間取決于汽車之間的距離。如圖5所示，B中的距離是A中的2倍，那么B中反射信號到達(dá)接收器所需時間就是A中的2倍。

2）直接測量這個時間很復(fù)雜，因此實際采用間接測量法:將連續(xù)發(fā)射的超高頻振蕩波作為發(fā)射信號，只需簡單地比較一下發(fā)射信號和接收 （反射）信號的頻率差就可以了。因為發(fā)射信號和接收（反射）信號的頻率差直接取決于物體之間的距離，物體之間的距離越大，反射信號被接收前所運行的時間越長，于是發(fā)射頻率和接收頻率之間的差就越大，如圖6所示。

2.2 前車車速測量

1）多普勒效應(yīng):對于反射發(fā)射出來的波的物體來講，它相對于發(fā)射出波的物體是處于靜止?fàn)顟B(tài)還是運動狀態(tài)，是有本質(zhì)區(qū)別的。如果發(fā)射出波的物體與反射波的物體之間的距離減少了，那么反射波的頻率就提高了，反之若距離增大，那么頻率就降低。多普勒效應(yīng)在日常生活中的應(yīng)用如圖7所示，當(dāng)消防車或救護(hù)車駛近時，其報警聲聽起來是一種持續(xù)的高音調(diào) （高頻），當(dāng)消防車或救護(hù)車越走越遠(yuǎn)時，我們聽到的音調(diào)就降低了 （低頻）。

2）圖8為前車車速測量示意圖。運用多普勒效應(yīng)，前車速度提高，與后車的距離增大，接收 （反射）的信號的頻率就降低了，反之，前車速度降低，與后車的距離減少，接收 （反射）的信號的頻率就增加了。多普勒效應(yīng)測速原理如圖9所示，由于會導(dǎo)致在信號的上升沿和下降沿之間產(chǎn)生一個不同的差值，車距調(diào)節(jié)控制單元會分析這個差值，從而判斷前車的速度變化。

2.3 前車位置測量

1）前車位置測量示意如圖10所示。雷達(dá)探測信號以葉片狀向外發(fā)射，信號的強度隨著與車上發(fā)射器距離的增大而在縱向和橫向上降低，如圖11所示。

2）雷達(dá)采用3束雷達(dá)波形式發(fā)射電磁波，通過檢測各個雷達(dá)束接收 （反射）信號的振幅比 （信號強度）可以確定本車與前車相對運動的角度，如圖12所示。

2.4 跟蹤車輛的選擇

在實際行車中，車距調(diào)節(jié)控制單元對檢測到的車輛側(cè)傾、車輪轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角等信號進(jìn)行分析，把雷達(dá)檢測到的距離本車最近的物體作為車距調(diào)節(jié)的參照物，根據(jù)汽車的轉(zhuǎn)彎半徑和特定的車道平均寬度來確定一條假想的車道，如圖13所示。

3 Audi A8主動巡航系統(tǒng)構(gòu)成

Audi A8主動巡航系統(tǒng)構(gòu)成如圖14所示。車距傳感器和車距調(diào)節(jié)控制單元安裝在同一殼體內(nèi) （圖15），通過支架上的調(diào)節(jié)螺栓可以調(diào)節(jié)車距傳感器的安裝位置。

Audi A8采用調(diào)頻連續(xù)波 （FMCW）毫米波雷達(dá)進(jìn)行測距，該種雷達(dá)結(jié)構(gòu)簡單，其基本工作原理是:毫米波雷達(dá) （車距傳感器）天線發(fā)射連續(xù)的調(diào)頻信號 （一般為連續(xù)三角形波），當(dāng)遇到前方障礙物時，會產(chǎn)生與發(fā)射信號有一定延時的回波；通過雷達(dá)天線接收回波信號，車距調(diào)節(jié)控制單元處理這些雷達(dá)信號以及其他輸入信號；通過處理這些信號就可以確定雷達(dá)視野中出現(xiàn)的物體哪一個是相關(guān)的前車，即本車按其調(diào)節(jié)車距的那臺車，于是前車的位置、車速及當(dāng)前的車距就可以確定，確定的數(shù)據(jù)被發(fā)送到多點噴射控制單元、自動變速器控制單元以及ESP控制單元。同時，通過車距調(diào)節(jié)CAN總線和數(shù)據(jù)總線診斷接口 （網(wǎng)關(guān)）傳送到驅(qū)動CAN總線上。毫米波雷達(dá)具有探測距離遠(yuǎn)、運行可靠、測量性能受天氣等外界因素的影響少等特點，可以獲得主車與目標(biāo)車輛間距離、相對速度、相對位置等信息。

4 主動巡航系統(tǒng)工作原理概述

下面就以Audi A8主動巡航系統(tǒng)一個典型的調(diào)節(jié)例子來概述其工作原理。

1）如圖16所示，A車駕駛員已經(jīng)激活主動巡航系統(tǒng)，并選定了巡航車速v和巡航車距d，A車已經(jīng)加速到了選定的巡航車速。

2）如圖17所示，這時如果有另一輛車 （摩托車）闖入A、B兩車之間，那么主動巡航系統(tǒng)施加的制動就不足以使藍(lán)車和摩托車之間的距離達(dá)到設(shè)定的巡航車距 （主動巡航系統(tǒng)出于舒適性的考慮，制動力只能達(dá)到制動系統(tǒng)最大制動減速能力的25%），于是就有聲、光報警信號來提醒駕駛員，應(yīng)踏下制動踏板實施制動。

3）如圖18所示，如果前車駛離車道，那么雷達(dá)就會檢測到這一情況，于是A車又開始加速，直到達(dá)到設(shè)定的巡航車速。

主動巡航系統(tǒng)控制功能圖如圖19所示。

5 主動巡航系統(tǒng)的局限性

1）主動巡航系統(tǒng)是駕駛輔助系統(tǒng)，而不是全自動駕駛系統(tǒng)，因此駕駛員要注意路面情況，必要時還要施加制動。

2）主動巡航系統(tǒng)在車速為30～200 km／h時才工作。

3）在駛?cè)霃澋阑蝰傠x彎道時，本車可能短時失去了前車目標(biāo)，或者將相鄰車道上的某車當(dāng)成了目標(biāo)，車輛會出現(xiàn)短時的加速或減速，如圖20、圖21所示。

4）雨水和污物會影響雷達(dá)的工作效果。

6 主動巡航系統(tǒng)的發(fā)展

1）通過駕駛員輔助系統(tǒng)支持主動巡航系統(tǒng)。新一代Audi A8的主動巡航系統(tǒng)帶有Stop﹠Go（停停走走）功能，其主要特點是將主動巡航系統(tǒng)工作的車速范圍改為0～200km／h，以應(yīng)對在城市中行駛時頻繁的停車和起步情況。自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的這種擴展功能，可以使汽車在非常低的車速時也能與前車保持設(shè)定的距離。當(dāng)前方車輛起步后，自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)會提醒駕駛者，駕駛者通過踩加速踏板或按下按鈕發(fā)出信號，車輛就可以起步行駛。

2）自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)使車輛的編隊行駛更加輕松。ACC控制單元可以設(shè)定自動跟蹤的車輛，當(dāng)本車跟隨前車行駛時，ACC控制單元可以將車速調(diào)整為與前車相同，同時保持穩(wěn)定的車距，而且這個距離可以通過轉(zhuǎn)向盤附近的控制桿上的設(shè)置按鈕進(jìn)行選擇。

3）新一代主動巡航系統(tǒng)控制單元還從其他駕駛員輔助系統(tǒng)控制單元接收下列信息:①前行車輛（包括本車車道和相鄰車道上的車）的位置，如圖22所示；②前行車輛將要變道的信息；③車前周圍區(qū)域識別出的物體，如圖23所示。

［1］張軍.汽車舒適與安全系統(tǒng)檢修［M］.北京:人民郵電出版社，2009:158-162.

［2］邢忠義.汽車汽車新結(jié)構(gòu)與新技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008:123-124.